毕业论文-CA6140普通车床改造为经济型数控车床设计-文档精品

宁 XX 大学 毕业设计(论文) CA6140 普通车床改造为经济型数控车床 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高， 许多企业在短时 间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为 一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国 的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择， 步进电机选择等进行了详细研究； 3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性 能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生 器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图； 5.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮 调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 6.绘出相应的零件图和装备图； 7、给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造 III Abstract Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. 2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed. 3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram. 5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 6. Draw out parts diagrams and assemble diagram. 7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform IV 目 录 摘 要 . II Abstract. III 目 录 IV 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究的意义 . 1 1.2 数控机床的发展趋势和研究方向 . 1 1.2.1 高速度、高精度化 2 1.2.2 多功能化 . 3 1.2.3 智能化 . 4 1.2.4 数控系统小型化 . 5 1.2.5 数控编程自动化 . 5 1.2.6 更高的可靠性 . 5 1.3 机床数控改造的意义 . 6 1.4 本课题研究的参数要求 . 7 第 2 章 总体方案设计 8 2.1 数控车床的总体任务 8 2.2 运动系统方案确定 8 2.2.1 伺服系统的选择 . 8 2.2.2 传动方式的选择 . 8 2.3 数控系统电路原理图设计 9 2.4 数控系统硬件结构 9 2.5 数控系统软件结构 10 第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计 11 3.1 确定脉冲当量 . 11 3.2 切削力的计算 . 11 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 12 3.3.1 精度的选择 12 V 3.3.2 丝杠导程的确定 . 12 3.3.3 最大工作载荷的计算 13 3.3.4 最大动载荷的计算 13 3.3.5 滚珠丝杠螺母副的选型 14 3.3.6 滚珠丝杠副的支承方式 14 3.4.3 传动效率的计算 15 3.3.8 刚度的验算 15 3.3.9 稳定性校核 16 3.3.10 临界转速的验证 16 3.4 齿轮传动的计算 . 17 3.5 步进电动机的选择 . 17 3.6 导轨的特点 20 第 4 章 横向进给伺服进给结构设计 24 4.1 切削力的计算 24 4.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 24 4.2.1 最大工作载荷的计算 24 4.2.2 最大动载荷的计算 24 4.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型 . 25 4.2.4 滚珠丝杠副的支承方式 25 4.2.5 传动效率的计算 25 4.2.6 刚度的验算 25 4.2.7 稳定性校核 26 4.2.8 临界转速的验证 . 26 4.3 进给伺服系统传动计算 . 27 4.3.1 确定传动比 . 27 4.3.2 齿轮参数的计算 . 27 4.4.步进电机的计算和选用 27 4.4.1 转动惯量的计算 . 27 4.4.2 电机力矩的计算 . 29 VI 4.5 步进电机的选择 31 第 5 章 单片机控制应用系统电路设计 32 5.1 硬件电路设计 32 5.1.1 数控系统的硬件结构 32 5.1.2 数控系统硬件电路的功能 32 5.2 关于各线路元件之间线路连接关于各线路元件之间线路连接 33 5.3.关于电路原理图的一些说明关于电路原理图的一些说明 34 参考文献 37 致 谢 38 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的意义 机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。数控机床是 一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。 自五十年代末世界上第一台数控机床在美国研制成功的半个多世纪以来，数控技术正在 发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式 发展。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处 在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的数控化 改造是发展我国数控设备的一个重要方面。 车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、 螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切 削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控 化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用单片机控制的并能独立运动的进给伺服系 统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先 输入的加工指令进行切削加工。 数控车床针对性高，专业性强，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂 零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关 加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传 统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大 降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。另外其改造成本同购置新机 床相比，节省的费用十分可观，国产数控机床价格也要 48 万元，进口机床有的近 20 万元，而对普通车床进行数控化改造也能满足实际生产要求，其改造费用仅 23 万元， 非常符合我国国情。 1.2 数控机床的发展趋势和研究方向 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出 了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服 系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着 FMS 的迅速发展和 CMS 2 的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出 了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用 领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、 多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 1.2.1 高速度、高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特 别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度 提出了更高的要求:另外， 这两项技术指标又是互相制约的， 也就是说要求位移速度越高， 定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达 到 lum,0.lum, 0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取 措施和进行研究。 （1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。 目前己由 8 位 CPU 过渡到 16 位和 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 发展，频率已由原来的 5MHz 提高到 16MHz, 20MHz 和 32MHzo 同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处 理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。 (2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转 伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动 机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指 标， 特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。 (3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所 得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是 存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为 F 时，其伺服系统的最终滞后位 F/G，这使 得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加 上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精 度。 (4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床 爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机 械系统动、静摩擦非线性的控制功能。 (5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔 3 性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实 现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。 (6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内 装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。 (7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿 功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定 点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。 (8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的 要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机 主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳 电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的 壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化， 以适应主轴高速运转的要求。 (9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层 刀具已开始得到应用。 (10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称 PLC)。以提高 PLC 的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的 PLC 具有专用 的 CPU，基本指令执行时间达 0. 2us/步，可编程步数可扩大到 16000 步以上。利用 PLC 的高速处理功能，将 CNC 与 PLC 之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各 种实时控制要求。 1.2.2 多功能化 (1) 数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中 心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至 磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上 完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅 助时间， 减少设备台数和占地面积。 为了进一步提高工效， 现代数控机床采用了多主轴、 多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加 工中心。 (2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多 CPU 结构和分级中 4 断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后 台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和 CRT 进行零件加工的编制， 并利用 CRT 进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹， 进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。 (3) 具有更高的通信功能。 为了适应 FMC,F MS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求， 一般的数控系统都具有 RS-232C 和 RS-422 高速远距离串行接口，可以按照用户级的格 式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的 DNC 接口，可以 实现几台数控机床之间的数据通信， 也可以直接对几台数控机床进行控制。 现 代 数 控 机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足 不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了 MAP 工业控制网络，现在已经实现了 MAP3.0 版本，为现代数控机床进入 FMS 和 C 工 MS 创造了条件。 1.2.3 智能化 (1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通 过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的 工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有 30 余种变量 直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变 形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而 自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削 用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同 时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。 (2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用 CNC 系统的内装程序实现在线诊断，即 在整个工作状态中， 系统随时对 CNC 系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、 检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了 CRT 进行故障报警、提示发 生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以 确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专 家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。 (3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和 工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用 刀具，以保证产品质量。 5 (4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自 然语音命令进行加工。 1.2.4 数控系统小型化 数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主要采用超大规模集成元 件、多层印制电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大 的缩小了系统的占有空间。此外，用新型的 TFT 彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴 极射线管 CRT，即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设 备上，更便于对数控机床的操作使用。 1.2.5 数控编程自动化 由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话， 给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后 台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前 CAD 被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用 CAD 绘制的零件加工图样，自动生 成 NC 零件加工程序，实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS 技术的发展，目前又出现 了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式， 它与 CAD/CAM 系统编程的最大区别是其 编程所需的加工工艺参数不必有人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得。另外， 还出现了测量、编程、加工一体化系统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量 机等对样机零件进行测量，并把所测得数据直接送入计算机内，一方面通过 CAD 系统 而获得样机零件图样，另一方面通过数控自动编程系统，将其处理生成 NC 加工程序， 然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动加工。 1.2.6 更高的可靠性 数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服 驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。 (1) 提高系统硬件质量.采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用 机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严 格筛选， 采用高质量的多层印制电路板， 实行三维高密度安装工艺， 并经过必要的老化、 振动等有关考机试验。 (2) 模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求， 6 同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产 和质量把关。 (3) 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离 线诊断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报 警。利用报警提示，及时排除故障;利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故 障自恢复;利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时， 自动进行相应的保护。 1.3 机床数控改造的意义 制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而 其中最具代表性的就是数控机床。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国， 国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍 然十分明显。因为一方面我国普通机床保有量大，要将普通机床淘汰掉是不经济的，也 是不现实的；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通机床为主。然而， 用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、精度低、成本高、供货期长等缺 点，从而使产品在国际、国内市场上缺乏竞争力，这将直接影响一个企业的生产效益以 及生存和发展。所以大力提高机床的数控化率已迫在眉睫，有很大的意义，而且普通机 床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及 特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的 结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精 度。 3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅 节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 4）可以采用最新的控制技术。可以根据技术革新的发展速度及时地提高生产设备的自 动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造为具有当今水平的机床。 7 1.4 本课题研究的参数要求 根据下列参数进行设计数控车床的横向进给机构，纵向进给机构和电路控制原理图 主要技术参数： 最大加工直径：在床面上，400mm,在床鞍上 210mm, 最大加工长度 1000mm 行程：纵向 1000mm 横向 200mm 快速进给：纵向 2400mm/min 横向 1200mm/min 最大切削进给速度：纵向 500mm/min 横向 250mm/min 溜板及刀架质量：纵向 81.63kg 横向 61.22kg 主电动机功率 7.5kw 定位精度：0.04mm/全行程 重复定位精度：0.016mm/全行程 程序输入方式：增加值，绝对值通用 控制坐标数量：2 脉冲当量：纵向 0.01mm/脉冲横向 0.005mm/脉冲 8 第 2 章 总体方案设计 2.1 数控车床的总体任务 横向和纵向进给系统设计计算：此部分为设计计算部分，用以确定脉冲当量，进给 牵引力，选择丝杠螺母副，计算传动效率，确定传动比，选择伺服电机等，并绘制机床 的横向和纵向的装配图及电路控制原理图。 2.2 运动系统方案确定 2.2.1 伺服系统的选择 伺服系统分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统： 开环控制系统中没有检测反馈装置，数控装置的控制指令直接通过驱动装置控制步 进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。这种控制系统由于 没有检测反馈校正，位移精度一般不高，但其控制方便、结构简单、价格便宜。 闭环控制系统又称全闭环控制系统，其检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部 件上，用以直接检测这些执行部件的实际运行位置（直线位移） ，并将其与 CNC 装置的 指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。但是，由于很多机械传动环节包含在闭 环控制的环路中，各部件的摩擦性，刚性等都是非线性量，直接影响系统的调节参数， 因此，闭环系统的设计和调速都有很大难度。所以，闭环控制系统主要用于精度要求高 的场合。 半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或者丝杠的端头，通过测量伺服电机的角 位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置（或位移） ，然后进行反馈控制。由 于将丝杠螺母副及机床工作台等大惯量环节排除在闭环控制系统之外，不能补偿他们的 运动误差，精度受到影响，但系统稳定性有所提高，调试比较方便、价格也较全闭环系 统便宜。 本次改造由于使用步进电机，所以可以选择开环控制系统。 2.2.2 传动方式的选择 为保证改造后的数控系统的传动精度及工作台的平稳性，在设计机床的传动系统 时，应努力保证传动系统低摩擦、低惯量、高效率、高刚度。因此在传动系统中注意以 下几点： 9 (1) 用低摩擦高精度的传动元件：如滚珠丝杠螺母副，滚动导轨。 (2) 采用消隙齿轮减小传动间隙。 2.3 数控系统电路原理图设计 为了使数控系统能够长期、可靠、方便地在工业环镜中运行，在制定数控系统总体 方案时必须重点考虑以下几个方面。 (1) 加强系统可靠性。影响数控系统可靠性的因素很多，硬件规模和硬件的制造工 艺水平往往是影响可靠性的关键因素。因此，应选用高性能的 CPU 作为系统的运算和控 制核心，并尽量用软件来实现数控系统的功能。在系统的具体硬件构成上，选用可靠性 高的工控 PC 作为数控系统硬件平台，减少自制硬件数量。此外，在软件设计、电源选 用、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性的设计，从而 全面提高系统的可靠性。 (2) 提高数控系统的控制精度。数控系统的控制精度是保证机床加工精度的关键。 因此，它在数控系统中处于重要位置。如提高数控系统的最小分辨率，使用高精度的步 进电机，采用高速高精度插补算法，提高轨迹生成精度;增强位置环控制能力;增加补偿 功能等。 (3) 提高使用方便性。 提高数控编程的方便性， 是提高数控系统使用方便性的关键。 因此，数控系统除提供全屏幕编辑进行手工编程外，还应该配置自动编程系统，从而大 大提高数控编程的速度和智能化程度，大大方便普通用户的使用。另外，因为现代工人 都比较熟悉个人计算机，数控系统在操作方面应采用标准计算机键盘或与其兼容的薄膜 键盘等输入设备，也可用软盘、移动磁盘、串行通讯、网络系统等输入零件程序。此外， 数控系统中应设置仿真功能，便于用户在加工前检查零件程序的正确性。 2.4 数控系统硬件结构 系统由工控PC硬件平台、数控操作面板(包括LCD显示器，键盘)、数控接口板卡(工 /0板，D/A板)和驱动执行机构等组成。PC硬件平台包括工控电源、无源母板、工控PC主 板和软盘驱动器、硬盘驱动器等。数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接 口板卡是计算机与外部执行装置间进行信息交换和转换的通道，对内通过无源母板与工 控PC主板相连，对外通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。 该系统的驱动执行环节包括四个子系统:进给轴控制与驱动子系统;主轴控制与驱 10 动子系统;开关量控制系统。 主轴控制与驱动子系统的功能包括两方面:主轴转速的调速控制，以满足宽范围切 削速度的要求;主轴转角的精确控制，以满足加工螺纹时的主轴与进给轴的联动控制和 换刀时的主轴精确定位控制要求。 开关量控制系统完成机床的逻辑顺序运动控制，如主轴起停控制、刀具交换、工件 装夹、冷却开关、行程保护等任务。开关量控制系统与其它模块相配合，共同完成机床 工作过程的控制。 2.5 数控系统软件结构 数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调 进行。 (1) 数控实时操作系统。它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进 行统一管理，对各任务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的 通讯和信息交换。 (2) 信息预处理。该模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运 算。 (3) 轨迹插补。它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨 迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并完成机床 运动的加减速控制。 (4) 运动控制。该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高 速算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任务。 (5) 加工仿真模块。该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而在加工 前检验参数输入正确性和机床运动合理性。 11 第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计 3.1 确定脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当 量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当 量是 0.010.005mm/脉冲。 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。 3.2 切削力的计算 切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削 力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的 切削力如图 3-1 所示。主切削力 z F与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴 电动机切削功率的依据；进给力 x F与进给方向平行且方向相反；背向力 y F与进给方向 相垂直，对加工精度的影响较大。 图 3-1 车削力分析 由机床设计手册可知，切削功率 Fz F F 12 KPPc 式中：P主轴电动机功率， kWP5 . 7； 主传动系统总效率，一般为 0.750.85，取=0.85； K进给系统功率系数，一般取K=0.96。 则 )(12. 696. 085. 05 . 7kWPc 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算， 即 3 10 60 vF P Z c ，式中切削速度 v 取 0.5min/m,纵向 500mm/min 则主切削力： 3 10 60 v P F c z = 3 10 5 . 0 12. 660 =734400)(N 根据经验公式 z F: y F: x F=1:0.4:0.35，计算出： y F=7344000.4=293760)(N x F=7344000.35=257040)(N 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动， 其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道 之间放人适量的滚珠， 使螺纹间产生滚动摩擦。 丝杠转动时， 带动滚珠沿螺纹滚道滚动。 螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间 隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 3.3.1 精度的选择 滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程 误差对机床定位精度最明显。 一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量 300 V 应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝 杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高） ，Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位 精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。 3.3.2 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚） 。在速度满足的情况 下，一般选择较小导程（利于提高控制精度） ，本设计中初选纵向丝杠导程为 8mm，横 13 向丝杠导程为 5mm。 3.3.3 最大工作载荷的计算 最大工作载荷 m F是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫 进给牵引力,其实验计算公式如表 3-1 所示。 表 3-1 m F实验计算公式及参考系数 导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 )(GFFKFF yzxm 1.1 0.15 燕尾导轨 )2(GFFKFF yzxm 1.4 0.2 综合或三角导轨 )(GFKFF zxm 1.15 0.15-0.18 表中K为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；G为移动部件 总重量。溜板及刀架质量：纵向 81.63kg 横向 61.22kg G=816 N 查表 3-1 选择综合导轨，K取 1.15,取 0.18,G为 816N； 算得 )(GFKFF zxm =1.15257040+0.18（734400+816） =427934.88 )(N 3.3.4 最大动载荷的计算 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力） ，此类载荷为 动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊 起重物，重物对吊索的作用为动载。 对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷 Q F计算公式如下： mhwQ FffLF 3 式中：L滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 6 10r， 6 10/60nTL （T 为使用寿命，普通 机床 T 取 5000-10000h，数控机床 T 取 15000h；n 为丝杠每分钟转速） ； w f载荷系数，一般取 1.21.5，本设计取 1.2； h f硬度系数（HRC58 时取 1.0 ；等于 55 时取 1.11；等于 52.5 时取 1.35；等 于 50 时取 1.56；等于 45 时取 2.40） ； m F滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 14 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度min/5 . 0 max mVj,初选丝杠 基本导程 mmPh8 ，则丝杠转速min/75/1000 max rPVn hj 。取滚珠丝杠使 用寿命 hT15000 ，带入 6 10/60nTL 得L=90；取 2 . 1 w f ， 1 h f 代入 mhwQ FffLF 3 ，求得 ： Q F =17390N。 3.3.5 滚珠丝杠螺母副的选型 初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷 Qa FC , 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 min)/10(rn 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷 moa FC) 32( 。 根据计算出的最大动载荷 Q F ,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的 FL5008-3 型 内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3-2 所示。 表 3-2 FL5008-3 型滚珠丝杠相关参数 公称直径 /mm 导程 /mm 钢球直径 /mm 丝杠外径 /mm 丝杠底径 /mm 额定载荷/KN 接触刚度 / 1 mN 0 d h P w D 1 d 2 d oa C a C 1897 50 8 4.763 48.6 45.24 66 31 3.3.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常 用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简 支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。 15 3.4.3 传动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率一般在 0.80.9 之间，其计算公式如下： = )tan( tan 式中：螺距升角，根据 0 h 14. 3 P tan d ,可得=291； 摩擦角，一般取=10。 算得： = )01192tan( 192tan =96.67% 3.3.8 刚度的验算 滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和 运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形 1 、丝杠与螺母间滚道的接触 变形 2 、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 3 。 因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以 2 、 3 可以忽略不 计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为： 1 = ES lF um （ “+”号代表拉伸， “-”代表压缩） 式中： m F丝杠的最大工作载荷，单位为N； u l 丝杠纵向最大有效行程，单位为mm； E丝杠材料的弹性模量，钢MPaE 5 101 . 2 ； S丝杠的横截面面积，单位 2 mm按丝杠螺纹的底径 2 d确定。 根据前面的设计， m F为 3234.36N， u l 取 1665mm， 2 d为 45.24mm，算得： 1 = 25 )24.45(14. 325. 0101 . 2 166576.3233 =0.01597)(mm=15.97m 查表 3-3 可知，m36 1 ,所以刚度足够。 表 3-3 有效行程 u l 内的目标行程公差 p e和行程变动量 up V 16 有效行程mmlu/ 精度等级 1 2 3 4 5 大于 至 p e up V p e up V p e up V p e up V p e up V 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 3.3.9 稳定性校核 由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现 象，不失稳时的临界载荷 Fk 应该满足： K F= 2 2 Ka EIfk m F 式中： k f 丝杠支承系数，双推-简支方式时，取 2，其他方式如表 3-4 所示； K滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 2.54，垂直安装时取最小值，本设计取 4； a滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm，本设计中该值为 1000mm； I按丝杠底径 2 d确定的截面惯性矩（ 64 4 2 d I ，单位为 4 mm）,本设 中将mmd24.45 2 代入算出I=205513.36 4 mm。 由以上数据可以算出： K F= 100010004 205513101 . 214. 314. 32 5 =)(1041. 4 4 N 临界载荷 K F远大于工作载荷 m F（3234.36N） ，故丝杠不会失稳。 表 3-4 丝杠支承系数 k f 支承方式 双推-双推 双推-简支 单推-单推 双推-自由 k f 取值 4 2 1 0.25 3.3.10 临界转速的验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速 cr n，要求丝杠的最 高转速： 17 7 2 2 m a x 10 c nkccr a d fKnn 式中： nk f 丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表 3-5 所示； c a临界转速计算长度，单位为mm，本设计中该值为 1000mm； 2 d丝杠内径，单位mm； c K安全系数，可取 c K=0.8 表 3-5 丝杠支承系数 nk f 支承方式 双推-双推 双推-简支 单推-单推 双推-自由 nk f 取值 27.4 18.9 12.1 4.3 经过计算，得出 cr n = 1293 min/r ，由已知min/5 . 0 max mV， mmPh8 可以算 出 min/750 max rn ，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。 3.4 齿轮传动的计算 有关齿轮计算 传动比i 故取 1 32z ； 2 40z ； 2m ； 20mmb ； 20 ；0.98 i 11 2 3264mmdmZ 22 2 4080mmdmZ 11 268mm aa ddh 22 284mm aa ddh 12 6480 72mm 22 dd a 3.5 步进电动机的选择 （1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 25. 1 360 P bp i 18 丝杠的转动惯量 44 1 7.8 10 s JD L 式中 D滚珠丝杠的公称直径； 1 L丝杠长度。 则 齿轮的转动惯量 442 1 7.8 106.4226.17N gcm z J 442 2 7.8 108263.9N gm z J 电机的转动惯量很小可忽略。 因此，总转动惯量 211 2 2 2 1 1 (299.5263.9)26.175.55264.3N gcm 1.25 sZZ JJJJJ i （2）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 max0f MMMM 最大切削负载时所需力矩 0atft MMMMM 快速进给时所需力矩 0f MMM 式中 max M空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； f M折算到电机轴上的摩擦力矩； 0 M由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； at M切削时折算到电机轴上的加速度力矩； t M折算到电机轴上的切削负载力矩。 4 10 N gm 9.6 a Jn M T 19 当 max nn时 maxaa MM max max 4000 1.25 833.33r/min 6 h Vi n P 4 max 26.43 833.33 109.177N gm91.77kg fgcm 9.6 0.025 a M 当 t nn时 aat MM 00 1000 1000 150 0.3 1.25 142.17r/min 3.14 21 6 i t V fi n fi D n LL 4 26.43 142.17 101.5715.7kg fgcm 9.6 0.025 at MNgm 0 0 0 22 f FL fW L M ih i 当0.8h 时， 0.16f 时 0.16 95 0.6 1.4522kgfgcm14.522N gcm 2 3.14 0.8 1.25 f M 0 0 2 00 1 2 P L M i 当 0 0.9时预加载荷 1 3 bX PF，则 22 00 0 195.472 0.61 0.9 0.5776kg fgcm5.776N gcm 66 3.14 0.8 1.25 x FL M i 0 95.472 0.6 9.12kg fgcm91.2N gcm 22 3.14 0.8 1.25 x t FL M i 所以，快速空载启动所需力矩 m